«Лучше легче, да лучше» — главный принцип проектирования композиционных деталей беспилотных летательных аппаратов
Технологии беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) бурно развиваются, а их важность как носителей систем дистанционного наблюдения и вооружения становится все более очевидной. Преимущества — длительность полета, безопасность в эксплуатации и универсальность — превращают БПЛА в необходимый элемент обороны, национальной безопасности и научных исследований. Для полной реализации всех преимуществ БПЛА крайне важно решить задачи снижения веса, себестоимости и дальнейшей оптимизации существующих конструкций, что оказывается очень непростой технической задачей.
Вес планера высотного БПЛА составляет примерно треть от полного взлетного веса аппарата. Любое снижение веса планера позволяет повысить вес полезной нагрузки (систем наблюдения или вооружения), а также продлить полетное время. Поэтому производители применяют специализированные процессы разработки новых планеров БПЛА с целью снижения их себестоимости и веса по сравнению с предыдущими вариантами конструкций.
Одно из решений, позволяющее применять такие специализированные процессы при создании БПЛА, — программный продукт Fibersim для автоматизированного проектирования деталей из композиционных материалов от Siemens. Решение Fibersim полностью интегрировано с 3D CADсистемами, используемыми при проектировании БПЛА, в том числе с NX от Siemens, CATIA от Dassault и Pro/Engineer от PTC, и реализует специализированные функции описания композиционных деталей планера. Благодаря тому что информация о композиционных материалах хранится в логичном и удобном для использования виде, производителю гораздо проще оценивать влияние конструкторских изменений на вес и себестоимость изделия, а в случае необходимости быстро обновлять конструкцию.
Рис. 1. Данный БПЛА применялся на военных и поисково-спасательных учениях «Спасение в пустыне XI», проводившихся в Неваде Военно-морским центром США по ведению боевых действий. По сценарию учений экипаж сбитого самолета оказывается в тылу противника. Пилоты ВВС должны провести поисково-спасательную операцию, а также проверить новую технику в условиях, приближенных к боевым. (Фото предоставлено ВВС США и выполнено штаб-сержантом Рейнальдо Рамоном (Reynaldo Ramon).)
Более того, поскольку данное приложение способно передавать точную и актуальную информацию о композиционных деталях в форматах, поддерживаемых системами технологического проектирования, повышается эффективность всех последующих процессов подготовки производства, а стоимость разработки заметно сокращается. Fibersim — мощное решение для разработки оптимальных конструкций, в полной мере использующее возможности имеющихся систем автоматизации конструкторскотехнологической подготовки производства.
Приложение Fibersim стандартизует и автоматизирует процесс разработки БПЛА из композиционных материалов, что помогает снизить вес и себестоимость изделия.
Неэффективные и выполняемые вручную процессы сокращаются или полностью устраняются, что способствует общему повышению качества готового изделия. Все это происходит в рамках применяемого выпускающими БПЛА компаниями стандартного цикла проектирования с учетом требований технологичности и значительно снижает его трудоемкость. В результате более качественное изделие производится с применением более производительных процессов, что позволяет получить БПЛА с высокими характеристиками при низкой себестоимости.
Оптимизация конструкции планера
Все страны, имеющие современную авиационную промышленность, заинтересованы в создании БПЛА, так как такие летательные аппараты гораздо дешевле в производстве и эксплуатации, чем пилотируемые самолеты. При этом характеристики БПЛА постоянно улучшаются: растут полезная нагрузка, скорость и продолжительность полета.
Поскольку основное предназначение БПЛА — транспортировка систем наблюдения или вооружений, любой прирост веса планера приводит к снижению веса полезной нагрузки или топлива. Это уменьшает возможности аппарата и сокращает длительность полета. Планер составляет значительную часть взлетного веса, и это ограничивает возможности дальнейшего повышения характеристик БПЛА.
Оптимизация конструкции по критериям стоимости и массы предельно важна для расширения областей применения БПЛА, и композиты играют в этом процессе главную роль.
Проектирование композиционных конструкций
Программы создания БПЛА выполняются гораздо быстрее, чем программы разработки традиционных самолетов. Как правило, для достижения высокой прочности и жесткости при малом весе применяется углеволокно. Поставщики углеволокна обладают необходимым опытом в проектировании композиционных деталей. Значительная часть серийного выпуска БПЛА за последнее десятилетие выполнялась лишь несколькими предприятиями, накопившими большой опыт работы в данной области. На таких предприятиях применяются лазерные проекционные системы, раскройные станки и другое автоматизированное технологическое оборудование. Для эффективной работы подобному оборудованию требуются специально подготовленные и структурированные наборы данных. Для их подготовки применяются особые системы проектирования композиционных деталей.
Сложность БПЛА растет, поэтому при проектировании беспилотников среднего и крупного размера можно применять те же технологии и системы, что и при разработке обычных самолетов. Средства проектирования композиционных деталей стали стандартом в сегодняшнем авиастроении, так как описание композиционного изделия — очень трудная и сложная задача. Поэтому специализированные средства проектирования изделий из композиционных материалов — естественный выбор и для программ создания БПЛА, позволяющий повысить технические характеристики и качество проектных решений.
Рис. 2. Пример композиционного обтекателя фюзеляжа, спроектированного в пакете Fibersim от Siemens в рамках сеанса работы с CAD-системой. Показаны результаты технологического моделирования отдельного слоя композиционной детали. Конструктор получает возможность «заглянуть в цех», что позволяет выявить и устранить технологические проблемы на ранних этапах проектирования. Подобная информация играет огромную роль в обеспечении качества изделия
Кроме того, последовательная оптимизация конструкции с целью сокращения веса и повышения летных характеристик затруднена при отсутствии структурированного комплекта конструкторской информации. Структурированное описание конструкции необходимо и для выполнения анализа проектных решений.
Рынок средних и крупных БПЛА развивается в двух направлениях: производители больших самолетов приступают к выпуску малых БПЛА, а производители беспилотников увеличивают размеры аппаратов. Однако разработка БПЛА не так сложна, как проектирование обычного самолета, поскольку на нее уходит гораздо меньше времени, а готовое изделие не требует сертификации на соответствие нормам летной годности, которую проводит, например, Федеральное авиационное агентство США. Однако ситуация меняется, и по мере увеличения размеров БПЛА пользователям требуются все более высокопроизводительные инструменты и процессы проектирования.
Получение надежной информации
Для получения точной технологической информации и выпуска деталей, соответствующих конструкторской документации, производителям необходимо проверить, что вводимые данные:
- являются точными и полными;
- легко обновляются, потому что в процессе проектирования, расчетов, изготовления и испытаний в конструкцию неизбежно вносятся изменения;
- пригодны для передачи в другие системы, так как детали одного и того же летательного аппарата часто производятся на разных заводах или разными компаниями.
Часть производства может передаваться сторонним поставщикам, которым придется изготавливать такие же композиционные детали.
Для выполнения упомянутых требований необходимо использование системы проектирования композиционных деталей, а также CAD/PLMсистемы, управляющей общим процессом проектирования. Системы проектирования композиционных деталей встраиваются в базовую CADплатформу и обеспечивают инженера набором инструментов для проверки полноты описания композиционного материала на основе правил проектирования, соответствующих отраслевым стандартам. Одно из таких решений — Fibersim от компании Siemens.
Рис. 3. Пример обшивки крыла, спроектированной в пакете Fibersim от Siemens в рамках сеанса работы с CAD-системой. Показаны результаты технологического моделирования слоя композиционной детали, покрывающего несколько конструкторских зон. Подразделение детали на зоны обеспечивает непосредственное преобразование требований к прочности в описании слоев композита, а также делает возможным быстрое обновление конструкции по результатам последующих прочностных расчетов
Инструменты систем проектирования композиционных деталей помогают определить реальную ориентацию волокон в конструкции и передать ее в соответствующем формате в системы инженерного анализа. Благодаря этому устраняются ручные манипуляции с данными, которые могут вызывать ошибки, а цикл проектирования и расчетов заметно сокращается. Для оптимизации веса и себестоимости БПЛА требуется повысить число таких циклов при проектировании планера.
Прохождение сертификации
Рано или поздно БПЛА начнут летать в гражданском воздушном пространстве, а это потребует прохождения сертификации аналогично той, которую проходят пилотируемые самолеты. Поэтому разработку БПЛА придется производить по тем же стандартам, что и проектирование коммерческих авиалайнеров. Пока этого не произошло, однако промышленность движется в данном направлении. При этом наличие полного и прослеживаемого набора расчетных данных становится критически важным для обеспечения высоких характеристик БПЛА.
Например, процесс получения сертификата летной годности предусматривает испытания ряда деталей самолета под нагрузкой до их разрушения, а полученные экспериментальные результаты должны подтвердить правильность расчетов конструкции. Изза сложной структуры композитных материалов и проблем с получением точной информации об ориентации слоев при производстве добиться соответствия расчетных и экспериментальных результатов будет трудно.
Использование систем проектирования композиционных материалов для создания полного описания конструкции помогает определить ориентацию волокон при изготовлении. Эти данные затем используются при разработке технологических процессов, что гарантирует правильное расположение волокон.
Возможность совместить расчетную модель с технологическим описанием композиционного материала дает разработчикам БПЛА уверенность в том, что их конструкторские модели точно соответствуют поведению реальных деталей. Благодаря этому сертификация БПЛА упрощается.
Согласно требованиям стандартов летной годности, помимо приемосдаточных испытаний на каждый самолет подготавливается график технического обслуживания. В график включаются периодические проверки и действия по техническому обслуживанию, а также капитальному ремонту планера. Поскольку всё большая часть планеров новых БПЛА изготавливается из композиционных материалов, в графике требуется учесть возможность ремонта композиционных деталей. Для этого ремонтной службе необходимо знать исходное описание структуры композиционного материала. Поэтому четко описанная структура композиционного материала должна предоставляться при проведении текущего технического обслуживания аппарата.
Рост отрасли
Рынок БПЛА показывает колоссальный рост, а аппараты увеличиваются в размерах и находят всё новые области применения. Согласно одному из отраслевых источников, в 2008 году во всем мире на производство БПЛА было потрачено 1,5 млрд долл., и в последующие десять лет ожидается рост этого показателя на 300%.
Основа такого роста — применение композиционных материалов в конструкции планера. Композиционные материалы обеспечивают высокую прочность и жесткость при малом весе. Однако проектирование, изготовление и обслуживание композиционных деталей — непростая задача, которую практически невозможно решить без использования современных систем автоматизации. Такие системы фиксируют информацию о структуре композиционного материала и гарантируют, что БПЛА выдержит требуемые нагрузки, будет изготовлен в точном соответствии со стандартами, а также будет отвечать сертификационным требованиям.
Решение Fibersim от Siemens отличается именно такими возможностями. С его помощью производители БПЛА смогут выпускать более легкие, дешевые и простые в производстве беспилотники.
Дополнительная информация: www.siemens.com/plm/fibersim
